車(chē)用柴油機(jī)停缸技術(shù)研究綜述

伍賽特

(上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

柴油機(jī)是一類(lèi)常見(jiàn)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]，以其優(yōu)越的動(dòng)力性能及燃油經(jīng)濟(jì)性能在國(guó)民生產(chǎn)及交通運(yùn)輸領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用[3-4]。近年來(lái)，隨著車(chē)用柴油機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的不斷延伸及拓展，對(duì)停缸這一新興內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的關(guān)注程度也日益提升。

1 停缸技術(shù)

“停缸”這一名詞亦可稱(chēng)作“氣缸切斷”，即按具體的使用需求使氣缸維持運(yùn)行或停止，并進(jìn)行相應(yīng)管理[5]。目前具體所指的是對(duì)所選擇的一些氣缸停止燃油噴射和氣門(mén)運(yùn)行，從而在低負(fù)荷工況下靈活地減小發(fā)動(dòng)機(jī)的有效排量。停缸的最簡(jiǎn)單形式是僅靠切斷點(diǎn)火或噴油來(lái)停止燃燒。

2 柴油機(jī)應(yīng)用停缸技術(shù)的相關(guān)優(yōu)勢(shì)

2.1 改善燃油經(jīng)濟(jì)性

柴油機(jī)應(yīng)用停缸技術(shù)可有效改善燃料經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于柴油機(jī)而言，降低的油耗百分點(diǎn)是柴油機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速兩個(gè)參數(shù)的函數(shù)。在低負(fù)荷工況下將半數(shù)的氣缸停缸時(shí)，有效燃油消耗率可減少達(dá)30%[6]。但是，如果在低負(fù)荷工況下采用了不恰當(dāng)?shù)膰娪脱a(bǔ)償策略，來(lái)以此補(bǔ)償柴油機(jī)停缸所造成的大幅振動(dòng)和由此產(chǎn)生的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速下降現(xiàn)象，在此情況下，整機(jī)振動(dòng)劇烈程度和由此帶來(lái)的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定性現(xiàn)象可能會(huì)因此惡化，使其在降低油耗方面產(chǎn)生的技術(shù)效果會(huì)變得微乎其微[7]。

通常而言，不同的車(chē)輛應(yīng)用和駕駛循環(huán)所導(dǎo)致的油耗降低收益的變化幅度較大，例如城市道路駕駛循環(huán)與高速公路駕駛循環(huán)兩者之間。城市駕駛循環(huán)下的燃油經(jīng)濟(jì)性提升效果通常比高速公路駕駛循環(huán)下的更為優(yōu)越。如果在駕駛循環(huán)中含有較高時(shí)長(zhǎng)比例的部分負(fù)荷運(yùn)行工況，停缸技術(shù)所帶來(lái)的燃料經(jīng)濟(jì)性收益將更為顯著。

2.2 改善排放性

停缸對(duì)柴油機(jī)降低排放方面的影響主要是通過(guò)改變排氣溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。停缸在提高排氣溫度以及改善催化轉(zhuǎn)化器起燃時(shí)間方面效果明顯，這一點(diǎn)對(duì)于在低負(fù)荷、低怠速和暖機(jī)時(shí)的各種后處理運(yùn)行工況而言，可謂水到渠成。雖然僅靠停缸自身通常還不足以迅速起燃大多數(shù)后處理裝置，但是將停缸技術(shù)與進(jìn)氣門(mén)正時(shí)以及噴油正時(shí)等相關(guān)技術(shù)手段相結(jié)合，即可進(jìn)一步提高排氣溫度，使催化轉(zhuǎn)化器充分發(fā)揮功效。

3 柴油機(jī)應(yīng)用停缸技術(shù)的相關(guān)劣勢(shì)

3.1 對(duì)整機(jī)泵氣損失的影響

由于停用的氣缸仍在繼續(xù)耗功，使得氣體不斷流入或流出氣缸，因此停缸技術(shù)無(wú)法顯著降低泵氣損失。而且，隨著新鮮空氣流入氣缸，停止運(yùn)作的氣缸將得以迅速冷卻，以此會(huì)導(dǎo)致再點(diǎn)火等一系列問(wèn)題。目前減少泵氣損失的最有效以及最常用的停缸方法是將停用氣缸中的燃油噴射和所有進(jìn)排氣門(mén)均關(guān)閉[8]。

3.2 對(duì)整機(jī)噪聲、振動(dòng)及不平順性(NVH)的影響

流過(guò)點(diǎn)火氣缸的氣流和歧管中的氣體壓力脈沖會(huì)影響進(jìn)排氣噪聲。停用氣缸中的氣體壓力會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)整機(jī)振動(dòng)狀況。只要?dú)飧着c氣缸之間的壓力存在不均勻現(xiàn)象，柴油機(jī)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)速變化就會(huì)隨之增大。氣缸壓力會(huì)受停缸氣門(mén)切換策略影響，同時(shí)亦與滯留于停用氣缸中的氣體質(zhì)量有關(guān)。

在不供油的氣缸中，如果不關(guān)閉所有的氣門(mén)，正常的缸內(nèi)氣體壓縮會(huì)較好地平衡點(diǎn)火氣缸所造成的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。然而，在進(jìn)排氣門(mén)都關(guān)閉的極端情況下，由于存在更為劇烈的振動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)呈現(xiàn)出較高的變化幅度。停缸時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)頻率階數(shù)會(huì)減半，這樣所造成的較高的動(dòng)態(tài)扭矩和較低的頻率會(huì)造成動(dòng)力系和傳動(dòng)系的振動(dòng)幅度大幅增加。

4 影響停缸技術(shù)的相關(guān)因素

4.1 影響停缸技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素

目前影響到柴油機(jī)停缸技術(shù)的因素：

(1)停用氣缸的數(shù)量；

(2)停用氣缸的氣門(mén)切換定時(shí)策略關(guān)系到缸內(nèi)滯留的氣體質(zhì)量；

(3)固定截面渦輪的有效面積關(guān)系到高低負(fù)荷運(yùn)行之間的權(quán)衡，涉及停缸運(yùn)行過(guò)程中在部分負(fù)荷時(shí)所需的空燃比，以及在非停缸運(yùn)行時(shí)在全負(fù)荷需要產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)功率能力；

(4)可變截面渦輪的葉片開(kāi)度，如使用該類(lèi)型渦輪，可通過(guò)調(diào)節(jié)面積更好地適應(yīng)可變排量發(fā)動(dòng)機(jī)在空氣流量變化方面的需要；

(5)渦輪廢氣旁通閥開(kāi)度的控制能力，采用電控旁通閥能在非停缸運(yùn)行時(shí)將閥全開(kāi)，最大限度地減小泵氣損失和在該部分負(fù)荷時(shí)的空燃比，以此可有效降低有效燃油消耗率；

(6)停缸運(yùn)行時(shí)在碳煙控制方面所能承受的最低空燃比；

(7)缸內(nèi)傳熱損失；

(8)由氣缸壓力引起的活塞環(huán)摩擦力；

(9)用于驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)的配氣機(jī)構(gòu)摩擦耗功。

4.2 影響停缸技術(shù)改善燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素

決定停缸在改善燃料經(jīng)濟(jì)性方面是否有效的因素包括發(fā)動(dòng)機(jī)排量、整車(chē)質(zhì)量、駕駛循環(huán)種類(lèi)、可變氣門(mén)的類(lèi)型，以及常用的運(yùn)行工況等[9]。目前就采用停缸技術(shù)來(lái)降低內(nèi)燃機(jī)有效燃油消耗率而言，在大型車(chē)輛上的應(yīng)用效果較好。大型車(chē)輛往往使用6缸或更多缸數(shù)的大排量發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)更頻繁地在低負(fù)荷工況區(qū)域運(yùn)行。因此與小排量?jī)?nèi)燃機(jī)相比，大排量?jī)?nèi)燃機(jī)應(yīng)用停缸技術(shù)在降低油耗方面的收益更大。

5 停缸時(shí)可采用的氣門(mén)切換策略

5.1 氣門(mén)切換所需考慮的相關(guān)因素

在停用的氣缸中，目前有3種處置滯留氣體質(zhì)量的方法，具體取決于在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)內(nèi)關(guān)閉并停用氣門(mén)的時(shí)刻：

(1)在氣缸內(nèi)保留最少的氣體質(zhì)量或幾乎保持真空；

(2)將較冷的新鮮空氣吸入氣缸；

(3)將熱殘余廢氣滯留在氣缸內(nèi)。

在停缸過(guò)程中，需盡量使其對(duì)柴油機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)、耐久性、封裝性和成本造成的影響最小。關(guān)閉和停用氣門(mén)的定時(shí)則較為關(guān)鍵，是由于氣缸內(nèi)的壓力變化過(guò)程決定著潤(rùn)滑油的消耗和動(dòng)力缸內(nèi)的部件潤(rùn)滑狀態(tài)，以及柴油機(jī)的整機(jī)振動(dòng)情況[10]。

如果缸內(nèi)幾乎沒(méi)有氣體的話，活塞環(huán)的摩擦損失以及停用氣缸的泵氣損失會(huì)達(dá)到最小值。而實(shí)際上，仍需在氣缸內(nèi)維持一定量的氣體和一定數(shù)值的氣缸壓力，以便保證氣缸內(nèi)部的潤(rùn)滑狀態(tài)以及較低的潤(rùn)滑油消耗率，同時(shí)亦可減小潤(rùn)滑油通過(guò)活塞環(huán)的開(kāi)口間隙而被吸入燃燒室的概率。

另一個(gè)在考慮氣門(mén)切換策略時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的因素是NVH。柴油機(jī)需要在停用的氣缸內(nèi)滯留適量的氣體，使其起到阻尼的作用，使整機(jī)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)速變化更為平順。

5.2 氣門(mén)切換策略

停缸一般可采用如下3種氣門(mén)切換策略：

(1)在排氣沖程結(jié)束時(shí)先立即關(guān)閉并停用進(jìn)氣門(mén)，以此可不向氣缸中注入新鮮空氣和外部排氣再循環(huán)氣體；

(2)在進(jìn)氣沖程過(guò)程中或結(jié)束時(shí)先關(guān)閉并停用進(jìn)氣門(mén)，以此可向氣缸中注入一定量的新鮮空氣和外部排氣再循環(huán)氣體；

(3)在已燃的缸內(nèi)氣體被排出氣缸之前，先關(guān)閉排氣門(mén)，以此可將高溫排氣滯留在氣缸內(nèi)。

當(dāng)活塞在進(jìn)氣沖程中向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸壓力會(huì)低于大氣壓力，從而形成較高的真空度。但在此情況下，可能會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油消耗產(chǎn)生負(fù)面影響，潤(rùn)滑油消耗主要是通過(guò)活塞環(huán)和氣門(mén)導(dǎo)管處的機(jī)油損失所造成的。在停用的氣缸中，當(dāng)其處于進(jìn)氣沖程時(shí)，缸內(nèi)的高真空度會(huì)將機(jī)油通過(guò)第一道和第二道氣環(huán)的開(kāi)口間隙區(qū)域吸入燃燒室。

目前，相關(guān)研究結(jié)果顯示：在停用的氣缸中，缸內(nèi)最高壓力通常較低，僅有200～300 kPa，而在進(jìn)氣沖程下止點(diǎn)處的缸內(nèi)壓力大約僅有20 kPa的絕對(duì)壓力。在柴油機(jī)的每個(gè)熱力循環(huán)過(guò)程的大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，停用氣缸的內(nèi)部壓力均低于大氣，并存在一定的真空度。

停缸時(shí)氣門(mén)操作順序的原則是在下述幾項(xiàng)之間尋求最佳平衡：

(1)避免缸內(nèi)出現(xiàn)不良真空現(xiàn)象；

(2)盡量保持氣缸溫度；

(3)出于對(duì)耐久性和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的考慮，在缸內(nèi)維持可接受的最高氣體壓力；

(4)盡量減少泵氣損失。

由于柴油機(jī)無(wú)需在進(jìn)氣節(jié)流和真空度下運(yùn)行，因此，通?？煽紤]采用第二種切換策略，即在進(jìn)氣沖程中先吸入較冷的充量并關(guān)閉和停用進(jìn)氣門(mén)。

6 柴油機(jī)停缸技術(shù)應(yīng)用推廣面臨的主要問(wèn)題

NVH是柴油機(jī)停缸技術(shù)得以應(yīng)用推廣時(shí)所需面臨的重要問(wèn)題。采用停缸技術(shù)會(huì)降低柴油機(jī)曲軸振動(dòng)的頻率，同時(shí)提升其振幅[11]。該現(xiàn)象在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)從NVH專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域以及整車(chē)舒適性的角度出發(fā)，目前仍無(wú)法被接受。至今為止，停缸技術(shù)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的提升效果依然受NVH限制。只有當(dāng)NVH領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域得以大規(guī)模量產(chǎn)化后，停缸技術(shù)方可如影隨形，以實(shí)現(xiàn)其改善燃料經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)。

停缸技術(shù)的主要難點(diǎn)在于既要盡量改善燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也要滿足在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和在停缸與非停缸之間進(jìn)行瞬態(tài)轉(zhuǎn)換運(yùn)行時(shí)在NVH和整車(chē)駕駛性能上的要求。

7 柴油機(jī)停缸技術(shù)性能總結(jié)

目前，關(guān)于柴油機(jī)停缸的技術(shù)性能總結(jié)如下：

(1)最佳的停缸方法是在停用氣缸中切斷燃料供應(yīng)并停用所有進(jìn)排氣門(mén)。

(2)停缸的氣門(mén)切換定時(shí)和滯留在停用氣缸中的氣體質(zhì)量將會(huì)顯著地影響停缸在降低有效燃油消耗率的效果。

(3)停缸運(yùn)行時(shí)，停用氣缸數(shù)主要取決于為實(shí)現(xiàn)良好的燃燒排放所需要的最低空燃比與為實(shí)現(xiàn)最低油耗所需要的泵氣損失之間的平衡點(diǎn)。除此之外，最佳的停用氣缸數(shù)也受到氣缸傳熱損失和活塞環(huán)摩擦等參數(shù)與特點(diǎn)的影響，但該影響相對(duì)較弱。

(4)停缸在低負(fù)荷工況能明顯降低燃料消耗。對(duì)于渦輪增壓柴油機(jī)而言，油耗的改善效果取決于有效平均壓力和轉(zhuǎn)速這兩大因素。

(5)由于受空燃比以及在高轉(zhuǎn)速時(shí)的其他設(shè)計(jì)約束條件的限制，目前在中、高負(fù)荷下很難采用停缸技術(shù)來(lái)改善有效燃油消耗率。

(6)停缸技術(shù)對(duì)油耗的改善程度主要取決于停用氣缸的數(shù)量、氣門(mén)關(guān)閉策略、氣門(mén)切換定時(shí)、渦輪通流面積、渦輪廢氣旁通閥的調(diào)節(jié)控制能力和靈活性、氣缸傳熱效果以及活塞環(huán)摩擦力等因素。

(7)停缸技術(shù)對(duì)排放性能的改善主要通過(guò)提升排氣溫度，以此來(lái)改善催化轉(zhuǎn)化器的處理效果。

8 結(jié)論

停缸技術(shù)的合理應(yīng)用，可使得柴油機(jī)在低負(fù)荷工況下顯著降低其油耗率，同時(shí)亦可通過(guò)提升排氣溫度來(lái)改善催化轉(zhuǎn)化器的處理效果，從而降低排放。盡管目前停缸技術(shù)的應(yīng)用仍受NVH等相關(guān)技術(shù)的限制，尚未大規(guī)模推廣應(yīng)用。但隨著技術(shù)的不斷完善，其在柴油機(jī)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)仍有著良好的應(yīng)用前景。